《无线传感器网络：第01章 现状与发展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线传感器网络：第01章 现状与发展（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、无线传感器网络讲义第一章、现状与发展内容提要1.2.3.4.5.6.7.WSN研究历史WSN与Ad hoc网络WSN体系结构WSN的应用WSN研究WSN研究中的若干问题主要参考文献内容提要1.2.3.4.5.6.7.WSN研究历史WSN与Ad hoc网络WSN体系结构WSN的应用WSN研究WSN研究中的若干问题主要参考文献无线传感器网络计算设备的演化历史巨型机小型机工作站PCPDAWSN 节点等生物芯片发展历程（一） 二十世纪70年代。冷战时期的声音监测系统（Sound SurveillanceSystem-SOSUS）、空中预警与控制系统（Air borne Warning andContr
2、ol System-AWACS） 1980年。DARPA的分布式传感器网络项目（Distributed SensorNetworks-DSN） 1994年 。加州大学洛杉矶分校的William J. Kaiser 向DARPA提交建议书“Low Power Wireless Integrated Microsensors” ，里程碑。 二十世纪80年代至90年代之间。美国海军研制的协同交战能力系统（Cooperative Engagement Capability-CEC），用于反潜的确定性分布系统（Fixed Distributed System-FDS）和高级配置系统（Advanced D
3、eployment System-ADS），以及远程战场传感器网络系统（Remote Battlefield Sensor System-REMBASS）和战术远程传感器系统（Tactical Remote Sensor System）等无人看管地面传感器网络系统发展历程（二） 1998 年。Gregory. J. Pottie 阐释了WSN 的科学意义，DARPA巨资启动了SensIT项目，目标是实现“超视距”战场监测。 1999年9月。商业周刊将其列位21世纪最重要的21项技术之一。橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory ,ORNL) 提出了“网络就是
4、传感器”（Network is Sensor）的论断。 2001年1月。MIT技术评论将WSN列于十种改变未来世界新兴技术之首。 2003年8月。商业周刊预测：WSN和其他三项信息技术将会在不远的将来掀起新的产业浪潮。 2004年IEEE Spectrum杂志发表一期专集：传感器的国度，论述WSN的发展和可能的广泛应用。 我们国家未来20年预见技术的调查报告，信息领域157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关。 2006年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与WSN的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。内容提要1.2.3.4.5.6.7.W
5、SN研究历史WSN与Ad hoc网络WSN体系结构WSN的应用WSN研究WSN研究中的若干问题主要参考文献无线传感器网络的基本概念无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、分布式信息处理技术技术、无线网络通信技术、分布式信息处理技术以及微机电技术。以及微机电技术。无线传感器网络综合能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将信息传送到终端用户，从而实现“无处不在的计算”理念。WSN与Ad hoc网络 相同点：基本不需要
6、人的干预，大部分工作是以自组织的方式完成的，二者统称为自组织网络。二者的研究都是追求低功耗的自组织网络设计。 不同点：（1）网络拓扑结构和工作模式各不相同。Ad hoc网络: 网络拓扑结构动态变化。WSN: 网络拓扑结构是静态的。（2）工作模式不同。WSN: 多对一(Many-to-One)通信，节点之间几乎不会发生消息交换。Ad Hoc网络 ：网络中任意两节点之间都有通信的可能。无线宽带网络(GSM,3G,WiFi,WiMax)带宽优化WSN三种网络之间的关系准静态拓扑结构多对一模式网内数据处理Ad Hoc动态拓扑结构功耗优化分组传输无线传感器网络的特征无线传感器网络是一种特殊的自组织(Ad
7、-hoc)网络，可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合(如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏)。它不需要固定网络支持，具有快速展开、抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域。通信能力有限.传感器网络的传感器的通信带宽窄而且经常变化,通信覆盖范围只有几十到几百米.传感器之间的通信断接频繁,经常导致通信失败。网络密度高,数量巨大。无线传感器网络的特征传感器有电池供电，能量有限，使得节点与网络寿命有限；网络中的传感器由于电源能量的原因经常失效或废弃。计算能力有限: 传感器网络中的传感器都具有嵌入式处理器和存储器,但是
8、嵌入式处理器和存储器的能力和容量有限。感知数据流巨大，传感器网络中的每个传感器通常都产生较大的流式数据,并具有实时性。经常有节点失效或移动，网络拓扑变化频繁。由于网络拓扑变化频繁, 网络节点间需自组织通信，以使网络面对变化仍可正常工作。由于环境恶劣及频繁的变化，网络应具备容错能力。内容提要1.2.3.4.5.6.7.WSN研究历史WSN与Ad hoc网络WSN体系结构WSN的应用WSN研究WSN研究中的若干问题主要参考文献WSN体系结构 典型的WSN体系结构有：动态协议栈的体系结构层次性的体系结构自适应体系结构可编程的体系结构自管理的体系结构自恢复的体系结构多任务的体系结构基于代理的体系结构W
9、SN体系结构 体系结构设计中需要考虑的要素：节点资源的有效利用支持网内数据处理支持协议跨层设计增强安全性支持多协议支持有效的资源发现机制支持可靠的低延时通信支持容忍延时的非面向连接通信开放性无线传感器网络的系统结构一个典型的无线传感器网络包括分布式传感器节点(群)网关(Sink)互联网(或卫星等)任务管理界面无线传感器网络系统结构无线传感器网络节点结构典型的无线传感器网络节点的基本组成包括4个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)处理单元(包括CPU、存储器和嵌入式操作系统等)无线通信单元电源。其他可选功能单元有：电源自供电系统、定位系统等。节点组成无线传感器网络节点的基本组成传
10、感器节点示例“Spec” by Jason HillRF Codes “Mantis”无线传感器网络体系结构无线传感器网络的体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。一个典型的无线传感器网络协议栈包括：分层的网络通信协议物理层数据链路层网络层传输层应用层网络管理模块能量管理拓扑管理Qos控制移动性管理网络安全无线传感器网络体系结构无线传感器网络的软件框架Temperature and humidityBarometric pressurePhoto active lightExternal battery packXServe/Database ToolsXMesh Sensing and M
11、ultihop RoutingMote-VIEW Client ToolsSoftware Framework内容提要1.2.3.4.5.6.7.WSN研究历史WSN与Ad hoc网络WSN体系结构WSN的应用WSN研究WSN研究中的若干问题主要参考文献应用前景国内外研究机构纷纷开展无线传感器网络的研究，完全归功于其广阔的应用前景和对社会生活的巨大影响。WSN的应用 目标跟踪 大鸭岛海燕监测 冰河监测医疗健康电子牧场结构化监测火山观测大鸭岛海燕监测项目开始时间：2002年参与者：英特尔研究实验室和加州大学伯克利分校http:/ 利用WSN监测冰河的变化情况，目的在于通过分析冰河环境的变化来推断
12、地球气候的变化。医疗健康电子牧场火山观测精细农业 大型机械/设备的预测性维护用于加热控制的温度监控High Voltage Transmission Line Monitoring ObjectiveMonitor the vibration of overhead transmission lineFind the relation of vibration and conductor abrasionFind the relation of vibration and weather factor such as wind speed, wind direction, temperatur
13、e, etc.Information and photos courtesy of Electric Power Construction Research Institute, Beijing, China内容提要1.2.3.4.5.6.7.WSN研究历史WSN与Ad hoc网络WSN体系结构WSN的应用WSN研究WSN研究中的若干问题主要参考文献安全路由数据聚合应用协议网络体系结构安 全协议机制主动型响应型混合型地理位置可靠传输不可靠传输端到端逐跳时间同步数据管理覆盖与连通性查询存储MAC 协议路由协议拓扑控制传输协议功率控制移动控制拥塞控制密钥分发安全防御安全传输DoS 攻击耗电攻击研究
14、方向及分类（一）射频编程通信短程无线通信蓝牙嵌入式系统软件设计硬件设计系统能耗管理构件库网内数据处理网络化编程中间件信号处理应用研究传感器技术微机电系统定位与跟踪校正波束形成数据融合自身定位目标定位与跟踪协同探测目标辨识操作系统仿真节点设计低功耗芯片紫蜂研究方向及分类（二）Sink 链路操作系统TinyOS TinyOS是UC Berkeley的David Culler领导的研究小组为WSN量身定制的嵌入式操作系统。 WSN对操作系统的特殊要求主要表现在： （1）节点的计算资源有限，需要尽可能的减小系统开销； （2）节点由电池供电，且要求较长的工作周期，因此需要系统的能耗管理策略与方案，包括操
15、作系统的支持； （3）节点的各模块之间需要一定的调度协调机制，同时支持并发控制； （4）观测任务需要操作系统支持实时性。IEEE 802.15.4主要技术特点包括：（1）功耗低（2）成本低（3）延时短（4）规模大（5）更安全vMessageDial-upNetworkingVoiceIntercomHeadsetCordlessGroup CallvCardvCalvNoteRFCOMMProtocolZigBee与BT协议栈比较ZigBeeStackApplicationSiliconApplication InterfaceNetwork LayerApplicationSiliconTe
16、lephony OBEXControl(Serial Port)ApplicationsFaxServiceDiscoveryProtocol典型无线通信技术的特点节点试验平台 第一代（19961999）：代表性的平台有UCLA的WINS61，UC Berkeley的SmartDust62、WeC和Rene63。 第二代（20002001）：典型平台的有UCB的Mica与Dot64，MIT的uAMPS-I和uAMPS-II65，以及Rockwell公司的HYDRA。 第三代（20022003）：两款代表性的试验平台：Mica2和MicaDot2，以及NASA JPL实验室的Sensor Web66。 第四代（2004）：典型的平台有MicaZ、Telos、EmberNode、Imote、Imote2、BTNode3和DSYS25。第四代节点平台比较内容提要1.2.3.4.5.6.WSN研究历史WSN与Ad hoc网络WSN体系结构WSN的应用WSN研究WSN研究中的若干问题WSN研究方法 WSN的研究具有较强的试验科学的特征，强调试验而非单纯依赖仿真。 WSN的研究需要广泛的合作 WSN的研究划分为两大类 ：（1）基础研究强调理论突破（2）应用研究偏重挖掘WSN的应用潜能无线传感器网络面临的挑战无线传感器网络面临的挑战
